materi ajar farmasi fisika ii.pdf

PENOMENA PERMUKAAN

TEGANGAN PERMUKAAN /

TEGANGAN ANTAR PERMUKAAN

Batasan antara 2 fase biasanya disebut “antar

permukaan”

Bila salah satu fasenya merupakan gas maka disebut

“Permukaan”

Dalam bidang farmasi fenomena antar permukaan

penting dalam proses pembuatan sediaan.

Antar permukaan dapat dibagi menjadi beberapa jenis

tergantung pada fase yang dipisahkan :

FASE ANTAR

PERMUKAAN

CONTOH

GAS – GAS TIDAK ADA ANTAR

PERMUKAAN

GAS – CAIR PERMUKAAN CAIR UDARA DALAM

GELAS

GAS – PADAT PERMUKAAN PADAT PERMUKAAN MEJA

CAIR – CAIR ANTAR PERMUKAAN

CAIR-CAIR

EMULSI

CAIR – PADAT ANTAR PERMUKAAN

CAIR-PADAT

SUSPENSI

PADAT - PADAT ANTAR PERMUKAAN

PADAT-PADAT

PARTIKEL SERBUK

Dari sekian banyak jenis antar permukaan, maka di

bagi lagi atas 2 kategori :

1. Antar permukaan cair : antar permukaan cair-gas

dan cair-cair

2. Antar permukaan padat : antar permukaan padat-

gas, padat-cair

Sedangkan antar permukaan padat-padat sudah sering

digunakan yaitu pada pembuatan tablet, proses

granulasi.

Selain itu sangat sedikit data yang membicarakan

ikatan antar partikel padat, maka jarang

dibicarakan.

TEGANGAN PERMUKAAN Pada suatu tetesa cairan , molekul-molekul yang

berada pada permukaan memiliki sifat yang berbeda

dengan molekul pada bagian dalam tetesan.

Molekul dalam cairan dikelilingi oleh molekul lain

dari segala arah yang memiliki daya tarik menarik

yang sama.

Sedangkan molekul pada permukaan (yakni pada antar

permukaan cair-udara) hanya dapat memiliki daya

tarik menarik dengan molekul lain yang terletak di

bawah atau disampingya.

Molekul ini dapat memiliki daya tarik menarik dengan

molekul yang menyusun fase lain yang terlibat

dalam antar permukaan tersebut tapi pada antar

permukaan cair-gas, antaraksi ini kecil dan bisa

diabaikan.

Molekul pada permukaan tetesan tersebut akan

mengalami gaya tarik ke arah dalam sehingga akan

menyusutnya permukaan.

Tegangan Permukaan (TP) adalah gaya per satuan

panjang yang harus diberikan sejajar pada

permukaan untuk mengimbangi tarikan ke dalam.

Tegangan Antar Permukaan (TAP) adalah gaya

persatuanpanjang yang terdapat pada antar

permukaan dua fase cair yang tidak bercampur.

TP/TAP = γ = dyne/cm

TAP selalu lebih kecil dari TP karena gaya adhesi

antara dua fase cair yang membentuk suatu antar

permukaan lebih besar dibandingkan antar cair-gas

Bila 2 cairan bercampur sempurna maka tidak ada

TAP yang terjadi.

ENERGI BEBAS PERMUKAAN

Merupakan kerja yang dilakukan (energi) untuk

memperbesar atau menambah luas permukaan

cairan.

Apabila ditambahkan suatu massa untuk memperbesar

permukaan dengan jarak ds, maka kerja atau energi :

dw = f x ds

= γ x 2l x ds

Dan karena 2l x ds = penambahan luas permukaan

(dA) yang disebabkam oleh pelebaran filam, maka :

dw = γ x dA atau bisa ditulis w = γ x dA

METODE MENGUKUR TP DAN

TAP

Ada 4 metode yang dapat digunakan :

1. Metode Kapiler

2. Metode cincin

3. Metode bobot tetes

4. Metode menhhitung jumlah tetes

METODE KAPILER

Apabila suatu pipa kapiler ditempatkan di dalam suatu

cairan dalam gelas piala, cairan ini biasanya naik ke

atas pipa sampai suatu jarak tertentu.

Hal ini terjadi bila gaya adhesif antar molekul cairan

dengan dinding kapiler lebih besar dari gaya kohesi

antar molekul cairan.

Cairan ini dikatakan membasahi dinding kapiler,

menyebar diatasnya dan naik dalam pipa.

METODE CINCIN

Dikenal dengan nama Dunouy Tensiometer

Prinsip :

Gaya yang diperlukan untuk melepaskan sebuah

cincin paltinum iridium yang dicelupkan pada

permukaan cairan sebanding dengan tegangan

permukaan cairan tersebut.

METODE BOBOT TETES

Alat yang digunakan adalah : STALAGNOMETER

Prinsip :

TP ditentukan oleh bobot jenis cairan

yang menetes secara perlahan

dari ujung pipa yang berdiri tegak.

METODE MENGHITUNG JUMLAH

TETES Prinsip :

Menghitung jumlah tetes yang dikandung suatu

volume tertentu yang akan diukur TP nya. Dalam

hal ini harus diadakan perbandingan dengan suatu

cairan pembanding yang TP nya kira-kira sama

dengan cairan yang akan diukur.

cairan 1 : cairan yang diukur

cairan 2 : cairan pembanding

Dimana :

N = Jumlah tetes dari suatu volume cairan

ρ = Bobot jenis cairan

SISTEM CAIR - CAIR

KOEFISIEN SEBAR

BILA SUATU ZAT SEPERTI ASAM OLEAT

DITARUH PADA PEMUKAAN AIR, MAKA

ASAM OLEAT DAPAT MENYEBAR PADA

PERMUKAAN SEBAGAI LAPISAN FILM, BILA

HARGA KOEFISIEN SEBARNYA POSITIF

S (+) WA > WC

HARGA KOEFISIEN SEBAR SANGAT

TERGANTUNG PADA GAYA ADHESI DAN

GAYA KOHESI

GAYA ADHESI

Yaitu energi yang dibutuhkan untuk memisahkan

/mematahkan gaya tarik menarik antara molekul-

molekul yang tidak sejenis atau kerja yang

dibutuhkan untuk memisahkan 2 cairan yang tidak

bercampur.

g 12

g 1

g 2

1221 ggg Wa

Adalah kerja yang dibutuhkan untuk

memisahkan molekul cairan yang menyebar

sehingga ia dapat mengalir di atas lapisan

bawah.

g 1

g 1 12gcW

SUATU CAIRAN DAPAT MENYEBAR DIATAS CAIRAN LAIN BILA GAYA ADHESI LEBIH BESAR DARI GAYA KOHESI

Tegangan permukaan air (γair) pada 20oC 72,8 dyne/cm, sedangkan permukaan CCL4 26,7 dyne/cm. Tegangan antar permukaan CCL4 – air adalah 45 dyne/cm pada suhu yang sama. Apakah CCL4 dapat menyebar diatas permukaan air?

Bila maka akan

terjadi penyebaran

Contoh : penyebaran asam oleat diatas permukaan air

Bila maka akan terbentuk tetesan-tetesan/lensa yang mengembang pada permukaan cairan/ gagal menyebar

Contoh : parafin lig diatas permukaan air.

Ada beberapa cairan yang mempunyai S tinggi diatas permukaan air, contoh : asam-asam lemak, minyak lemak

SISTEM PADAT - CAIR

zat padat yang dapat berkontak dengan cairan dan molekul-molekul antar permukaan dikatakan bahwa cairan dapat membasahi zat padat.

Contoh :

Permukaan kulit diliputi oleh campuran air dan lemak (keringat) yang bersifat polar dan non polar. Agar suatu lotio yang mengandung lemak dapat menyebar pada permukaan kulit atau dapat membasahi kulit dengan sempurna, maka polaritas lotio harus diperbesar agar koefisien sebarnya bertambah besar.

zat padat banyak disuspensikan dalam cairan

contoh : liquor faberi, lotio kunmerfeldi

2. Pembasahan tidak sempurna (S < 0)

Dalam peristiwa pembasahan ada 3 kemungkinan :

1. Pembasahan sempurna (S > 0,)

Water

Airg gow oa Oil

Water

Air wa

g ow g oa

qe

Water

Airgoa g

g

ow

oaOil

goa g

wogwo

3. Berupa tetesan : cairan hanya berbentuk

tetesan-tetesan saja

Penyebaran cairan diatas zat padat secara teoritis dapat dihubungkan dengan koefisien sebar :

CAIR – CAIR :

PADAT – CAIR :

Cairan dapat menyebar jika (+)

Tapi secara praktek penetuan TP padat dan TAP padat-cair sangat sukar dilakukan, maka penetuan dikakukan secara tidak langsung yaitu dengan mengukur sudut kontak antar cairan – zat padat

Sudut kontak : 0 – 180

Agar koefisien sebar dari zat bertambah, maka

pada pembuatan sediaan ditambahkan zat

pembasah (WETTING AGENT)

Zat pembasah bekerja mengecilkan sudut

kontak antara zat padat dengan cairan

SUDUT KONTAK

Adalah sudut yang terbentuk antara tetesan

cairan dan permukaan padatan tempat dia

menyebar.

SUDUT KONTAK (θ) ARTI

0 Sangat mudah dibasahi

< 90 Permukaan zat padat

bisa dibasahi tapi tidak

sempurna

= 90 Cairan sukar membasahi

permukaan zat padat

90 - 180 Sama sekali tidak bisa

membasahi zat padat

METODE UNTUK MENGUKUR SIFAT WETING AGENT DARI SUATU ZAT

1. DRAVES TEST

2. TEST PENETRASI

PRINSIP :

Menentukan waktu yang dibutuhkan oleh

larutan zat pembasah untuk membasahi

suatu permukaan zat padat

CARA :

waktu yang dibutuhkan oleh 5 g wol

untuk tenggelam dalam larutan yang

akan diperiksa

PRINSIP : sama seperti test penetrasi

CARA :

Masukkan zat uji, hitung berapa waktu

yang dibutuhkan zat uji untuk melewati

kapas berlemak.

Rumus ini dikembangkan oleh Thomas

Young

Rumus ini mengukur tegangan permukaan

zat padat berdasarkan sudut kontak antara

zat padat dengan suatu cairan

qggg Cos pc cp

Merupakan kombinasi antara rumus young

dengan rumus kerja adhesi

Makin besar kerja adhesi (Wa) maka

cairan makin mudah menyebar

SISTEM PADAT – GAS /

FENOMENA ADSORBSI

ADSORBSI : Peristiwa penyerapan suatu zat lain pada permukaan zat.

Zat yang diadsorbsi disebut adsorbat Zat yang mengabsorbsi disebut adsorben ADSORBSI ≠ ABSORBSI Kedua fenomena ini bisa terjadi bersama-sama sehingga sulit dalam menentukan fenomena apa yang terjadi, oleh karena itu kalau belum jelas fenomena apa yang terjadi, maka dapat dikatakan dengan sorbsi

PROSES

ADSORPSI

FISIKA

KIMIA

ADSORBSI FISIKA

1. Gaya interkasi antara adsorben dan

adsorbat lemah sehingga panas

adsorbsinya kecil ± 20-40 kj/mol

2. Gaya interkasi menyebabkan kondensasi

gas untuk membentuk cairan yang

umumnya disebut gaya van der walls dan

bersifat reversibel

3. Dinamakan juga adsorbsi van der waals

ADSORBSI KIMIA/CHEMISORPTION

1. Ditandai dengan terjadinya reaksi kimia antara

adsorben dan adsorbat dimana gaya

interaksinya sangat kuat dan bersifat

irreversibel.

2. Panas adsorbsinya cukup tinggi 40 – 400 kj/mol

sehingga sanggup mematahkan ikatan dalam

molekul adsorbat yang mengakibatkan

terjadinya reaksi kimia antara adsorben dan

adsorbat.

3. Makin naik temperatur laju adsorbsi makin

besar

PENERAPAN TENTANG PROSES ADSORBSI DALAM BIDANG FARMASI

1. Formulasi sediaan penawar racun seperti pulvis NMT (Norit, MgO, Tanin), pulvis adsorben (Mg peroksida, Norit)

2. Menghilangkan bau yang tidak enak dari ruangan

3. Penambahan adsorben ke dalam serbuk yang mengandung zat yang mudah lembab/basah

4. Penambahan adsorben pada larutan untuk mengadsorbsi kotoran larutan, contoh : gula

5. Pemakaian adsorben untuk membebaskan pyrogen dari larutan injeksi

6. Menghilangkan warna larutan yang tidak diinginkan

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI ADSORBSI FISIKA

1. SUHU

makin tinggi suhu, derajat adsorbsi makin kecil

2. KONSENTRASI ADSORBAT

Makin besar konsentrasi adsorbat makin besar derajat adsorbsinya

3. BM

Makin besar BM, derajat adsorbsi makin besar

4. KELARUTAN

Makin kecil kelarutan suatu zat dalam pelarut maka makin kuat diabsorsinya

5. LUAS PERMUKAAN ADSORBSI

Serbuk yang halus dan berpori mempunyai permukaan yang luas sehingga derajat adsorbsinya tinggi

CONTOH ADSORBEN YANG SERING DIPAKAI

Carbo adsorben (norit)

Kaolin

Bentonit

Silica gel

Mgo

Tanin

DERAJAT ADSORBSI GAS OLEH SUATU ZAT PERGANTUNG PADA

1. Sifat kimia adsorben

2. Sifat fisika adsorbat

3. Luas permukaan adsorben

4. Suhu

5. Tekanan paralel gas yang diadsorbsi

Hubungan antara jumlah gas yang diadsorbsi secara fisika pada suatu zat padat dengan tekanan/konsentrasi setimbang pada suhu konstan disebut adsorbsi isotherm dari FREUNDLICH

Dengan rumus :

y = massa gas yang diadsorbsi persatuan massa dari adsorben

X = jumlah gas yang diadsorbsi

M = massa adsorben

P = tekanan gas pada kesetimbangan

k dan n = konstanta yang bisa didapatkan dari hasil percobaan

Langmuir mengembangkan suatu persamaan berdasarkan teori bahwa molekul atau atom gas akan diadsorbsi pada tempat-tempat aktif dari zat padat membentuk suatu lapisan 1 molekul (monolayer)

Fraksi dari pusat zat padat yang ditempati oleh molekul-molekul gas pada pada tekanan p dilukiskan dengan θ dan fraksi yang tidak ditempati molekul gas adalah 1 – θ

Kecepatan adsorbsi atau kondensasi molekul-molekul gas pada permukaan (r1) sebanding dengan tempat yang tidak ditempati

Kecepatan penguapan = kecepatan desorbsi dari molekul gas yang terikat pada permukaan sebanding dengan fraksi permukaan yang ditempati (θ)

Pada saat kesetimbangan

BERDASARKAN BENTUK KURVA INI DAPAT DIBAGI ATAS LIMA TIPE MENURUT BET (BRUNAUER – EMMET – TELLER)

Digambarkan dengan persamaan diatas

Kurva berbentuk sigmoid

Terjadi ketika gas diadsorbsi pada zat padat tidak berpori untuk membentuk lapisan monolayer kemudian diikuti dengan pembentukan multilayer.

Tipe II digambarkan dengan persamaan dari BET

Luas permukaan adsorben dapat dihitung berdasarkan rumus BET :

Prinsip :

Serbuk adsorben ditempatkan dalam suatu wadah, di alirkan gas N2 melalui serbuk tersebut. Volume gas yang diadsorbsi pada berbagai tekanan diukur pada suhu konstan.

ADSORBSI PADA ANTAR PERMUKAAN CAIR

FAKTOR – FAKTOR YANG MEMPENGARUHI TEGANGAN PERMUKAAN

1. SUHU

TP akan turun dengan naiknya suhu.

Pada suhu kritis yaitu suhu dimana cairan menjadi gas, TP akan diabaikan.

Hubungan antara TP dengan suhu dirumuskan oleh COTVAS, RAMSAY & SCHIELDS

Dimana :

γ = Tegangan permukaan cair

M= BM cairan

V = Volume cairan yang bobotnya 1 g

K = Konstanta yang tidak tergantung suhu tapi pada sifat cairan

Senyawa polar K = 2,12, senyawa non polar K < 2,12

tc = Suhu kritis

t = Suhu percobaan

G = Konstanta empiris

2. ZAT TERLARUT

Jika suatu zat terlarut dilarutkan dalam cairan murni akan terjadi perubahan pada TP cairan tersebut.

dalam hal ini ada 4 kemungkinan yang terjadi :

1. TP cairan bertambah besar dengan bertambahnya konsentrasi zat terlarut

Hal ini dapat terjadi pada elektrolit kuat dan beberapa senyawa polar yang mengandung gugus OH dilarutkan dalam air

2. TP cairan turun secara berlahan-lahan dengan bertambahnya konsentrasi zat terlarut.

Contoh : senyawa asam lemak bila dilarutkan dalam air

3. TP tidak tergantung pada penambahan

konsentrasi zat terlarut

4. TP cairan secara tiba-tiba turun dengan

penambahan konsentrasi zat terlarut,

sekalipun dalam konsentrasi yang kecil

sekali.

Contoh : surfaktan yang dilarutkan dalam air

Penurunan secara tiba-tiba ini disebabkan karena

zat terlarut memekat pada permukaan cairan, jadi

kadar zat pada permukaan tidak sama dengan kadar

zat dalam larutan.

Pemekatan pada permukaan ini terjadi karena

medan gaya listrik antar molekul zat terlarut lebih

kecil dari medan gaya listrik pelarut.

zat terlarut tidak akan terus menerus memekat

pada permukaan cairan akan tetapi zat tersebut

akan berdifusi ke dalam larutan.

jika pada permukaan cairan tidak jernih,

pemekatan pada permukaan disebut peristiwa

ADSORBSI

Pada saat kesetimbangan, derajat adsorbsi =

derajat difusi

Zat-zat yang memekat pada permukaan larutan dan menurunkan TP walaupun dalam konsentrasi yang kecil sekali disebut zat aktif permukaan /SURFAKTAN/AMPHIPHIL

Amphiphil merupakan senyawa atau ion yang

memiliki afinitas tertentu baik terhadap pelarut polar maupun non polar. Hal ini tergantung jumlah dan sifat dari gugus polar dan non polar yang dimiliki.

amphiphil bisa bersifat hidrofob atau hidrofil

atau seimbang antara hidrofob dan hidrofil.

contoh : alkohol rantai panjang, amin dan asam, dimana

akan berubah dari hidrofil menjadi lipofil dengan

bertambahnya atom C pada rantai alkil.

etil alkohol : larut dalam air

setil alkohol : tidak larut dalam air

Sifat inilah yang kemudian menyebabkan amphiphil

diadsorbsi pada permukaan, terjadi pada sistem Cair-gas

atau cair-cair.

SISTEM CAIR-GAS

Contoh : dispersi amyl alkohol dalam air

Gugus alkohol yang polar akan bergabung dengan

mokelul air

Sedangkan gugus non polar akan ditolak.

karena daya adhesi antara molekul amyl alkohol

dengan air < daya kohesi antara mokelul pelarut,

maka amyl alkohol akan teradsorbsi pada

permukaan.

SISTEM CAIR - CAIR

Contoh : asam lemak pada capuran air dengan minyak

Rantai lipofil asam lemak akan menghadap ke fase minyak, sedangkan rantai hidrofil akan menghadap ke fase air..

Agar asam lemak bisa berkumpul pada antar permukaan air dan minyak, maka jumlah gugus hidrofil dengan lipofilnya harus seimbang.

Jika gugus hidrofil >> : maka zat akan larut/bercampur dengan fase air sehingga tidak terdapat zat pada permukaan

Dan sebaliknya jika gugus lipofil >>>

HLB (HIDROFIL LIPOFIL BALANCE)

Sitem ini dikembangkan oleh GRIFFIN

Yaitu angka yang menyatakan ukuran dan kekuatan dari

gugus hidrofil dan lipofil dari suatu senyawa aktif

permukaan.

Makin besar nilai HLB maka senyawa makin bersifat hidrofil.

KLSIFIKASI SURFAKTAN

Dari segi ionisasi, surfaktan dibagi atas 4 :

1. Surfaktan anionik

terionisasi dalam air (larutan) dimana bagian yang aktif adalah bagian anionnya, terbagi atas :

a. asam karboksilat

b. ester asam sulfat

c. alkil asam sulfat

d. senyawa aromatis, cnth : Na lauril sulfat

2. Surfaktan Kationik

terionisasi dalam larutan (air) dimana bagian yang aktif adalah bagian kationnya,contoh : benzalkonium klorida

3. Ampoterik

kedua gugus dapat berfungsi dalam larutan (air) dimana dalam larutan asam kationik sedangkan dalam larutan basa anionik

4. Surfaktan non ionik

tidak terionisasi dalam larutan, berfungsi secara keseluruhan dari molekul, dibagi atas ikatan antara gugus hidrofil dan lifofil, yaitu :

a. ester sebagai ikatan antara, conth : brij

b. ester sebagai ikatan antara, conth : span

c. eter ester sebagai ikatan antara, conth : tween

d. amida sebagai ikatan antara, conth ; lauril dietanol amin

Hubungan antara banyaknya zat yang teradsorbsi pada satuan luas permukaan dan perubahan TP dirumuskan oleh GIBBS tahun 1878 yang disebut “Hukum Adsorbsi dari GIBBS”

Γ : konsentrasi zat terlalut pada permukaan (mol/cm2)

c : konsentrasi zat dalam larutan (g/cm2

R : Konstanta gas (8,314 x 107 erg/mol)

T : Suhu absolut (273

dγ/dc : derajat perubahan TP dengan perubahan konsentrasi zat terlarut

Dari rumus GIBBS ini akan dihadapi 2 kemungkinan :

1. Jika terjadi adsorbsi, maka Γ (+) , berarti konsentrasi zat pada permukaan lebih besar dibandingkan dalam larutan, dalam hal ini dγ/dc (-) ; jadi TP turun dengan bertambahnya konsentrasi zat.

2. Jika tidak terjadi adsorbsi, Γ (-), dγ/dc (+)

FILM BALANCE

Dikembangkan oleh Langmuir, adam, harkin

Sistem ini bisa digunakan untuk menentukan Luas Penampang Molekul (LPM), tebal film dan panjang molekul

M = BM cairan yang disebarkan

S = Luas daerah yang ditutupi film

V = Volume dari cairan yang disebar

ρ = density cairan yang disebar

N = Bilangan Avogadro